Tadeusz Kruczek

Główną uwagę w artykule skierowano na właściwości detektora oraz na cechy systemu optycznego kamer termowizyjnych.

1. Kamery termowizyjne użytkowane w Instytucie Techniki Cieplnej Politechniki Śląskiej, charakterystyka od lewej strony: (a) kamera z detektorem bolometrycznym FPA 320x240, zakres spektralny 7,5÷13 μm; (b) w środku detektor bolometryczny 640x480 i zakres spektralny 7,5÷13 μm; (c) po prawej kamera z detektorem fotonowym FPA o rozmiarze 640x512 i zakresem spektralnym 2,5÷5,1 μm

Kamery termowizyjne, mierząc natężenie promieniowania cieplnego (podczerwonego) emitowanego przez badany obiekt, pozwalają na bezdotykowy pomiar rozkładu temperatury na badanej powierzchni [1, 2]. Ciągły rozwój i doskonalenie tej technologii poszerza możliwości jej zastosowania, a to z kolei wpływa na specjalizację sprzętu.

Obecnie są produkowane kamery specjalnie przeznaczone np. do budownictwa lub do diagnostyki szczelności instalacji gazowych, mające funkcje przydatne w wymienionych zastosowaniach. Są to albo pewne cechy wynikające z samej konstrukcji kamery, albo określone cechy i możliwości wynikające z oprogramowania zarządzającego pracą kamery.

Rodzaj detektora podczerwieni

Detektory podczerwieni używane w kamerach mają postać matryc pojedynczych detektorów (pikseli) oznaczanych symbolem FPA (ang. Focal Plane Array). Przyjmując jako kryterium podziału zakres długości fali promieniowania, na które detektor jest wrażliwy, rozróżniamy zasadniczo detektory:

• krótkofalowe, ozn. SW (ang. Short Wave), działające w zakresie 2-5 μm;
• długofalowe, ozn. LW (ang. Long Wawe), działające w zakresie 7,5-14 μm.

Przyjmując natomiast za kryterium podziału sposób generacji sygnału pomiarowego, detektory dzieli się na termiczne i fotonowe.

Gdy za kryterium przyjmie się temperaturę pracy, detektory można podzielić na chłodzone i niechłodzone (pracują w temp. zbliżonej do temp. otoczenia).

W pomiarowych kamerach termowizyjnych stosuje się detektory termiczne, głównie bolometryczne oraz piroelektryczne, lub fotonowe – fotoprzewodzące, fotowoltaiczne.

Detektory bolometryczne. Są bardzo popularne ze względu na dobre własności pomiarowe i brak wymogu schładzania ich do niskiej temperatury w czasie pracy. Mają one jednak nieco niższą czułość w porównaniu z detektorami fotonowymi oraz ograniczoną szybkość rejestracji obrazów termicznych (do ok. 60 Hz), przy czym cecha ta ma znaczenie jedynie w specjalnych zastosowaniach – przy rejestracji szybkozmiennych pól temperatury. Detektory bolometryczne stosuje się w konstrukcji kamer długofalowych, tj. działających w zakresie 7,5-13(14) μm. Sygnałem pomiarowym w ich przypadku jest zmiana rezystancji cienkiej warstwy elementu pomiarowego, spowodowana zmianami temperatury tego elementu (na skutek pochłaniania promieniowania podczerwonego).

Detektory fotonowe. Budowane są z materiałów półprzewodnikowych (przykładowo InSb – antymonek indu lub MCT – telurek kadmowortęciowy). Sygnałem pomiarowym jest dla nich zmiana przewodności elektrycznej, spowodowana przechodzeniem elektronów walencyjnych w atomach do poziomu przewodzenia (na skutek pochłonięcia fotonów energii promieniowania podczerwonego pochodzącego od badanego obiektu). Aby ograniczyć liczbę elektronów swobodnych wyzwalanych termicznie w sposób naturalny (dających tzw. szum) i tym samym wyeksponować efekt wyzwalania elektronów wskutek pochłaniania promieniowania pochodzącego od badanej powierzchni, detektory te w czasie pracy schładza się do niskiej temperatury rzędu 77 K (-196°C), [3, 4]. Jest to pewna uciążliwość, ponieważ po włączeniu kamery urządzenie schładzające (mikroziębiarka) musi pracować przez jakiś czas, aby osiągnąć wymaganą temperaturę. Ponadto urządzenie schładzające ma ograniczoną trwałość. Detektory fotonowe są wrażliwe na promieniowanie krótkofalowe i stosuje się je w konstrukcji kamer krótkofalowych. Ich zaletą jest wysoka czułość oraz możliwość osiągnięcia dużej szybkości odświeżania obrazu, co umożliwia rejestrację obrazów termicznych z bardzo dużą częstotliwością. W przypadku badania rozkładów temperatury na powierzchni ciał stałych nie ma różnicy jakościowej między wynikami pomiarów otrzymanymi za pomocą kamery długofalowej (LW) i krótkofalowej (SW). Różnice istnieją, jeśli chodzi o obszary ich zastosowań (patrz ramka).

Obok zakresu spektralnego i temperatury pracy, ważnym parametrem detektora jest tzw. czułość termiczna. Jest to wielkość podawana w stopniach skali temperatury i w uproszczeniu oznacza minimalną różnicę temperatury, jaką jest w stanie rozróżnić detektor w umownych warunkach (na ogół przy temp. 30°C). Dla spotykanych modeli kamer wartość tego parametru zawiera się w granicach 0,15-0,03 K, przy czym im mniejsza wartość tego parametru, tym lepiej, ponieważ oznacza to wyższą czułość detektora. Najniższe wartości osiągają detektory fotonowe. W dobrej klasy kamerach diagnostycznych wartość czułości termicznej jest na poziomie 0,08 K. Należy jednak podkreślić, że nie jest to dokładność pomiarowa kamery, która jest gorsza od wyżej podanych wartości.

(...)